Modos de Controle e PLC. Prof. Jomar T. Gontijo

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1 Modos de Controle e PLC Prof. Jomar T. Gontijo

2 Modos de Controle

3 Controladores Equipamentos responsáveis pela tomada de decisão de corrigir os desvios que ocorrem entre na variável controlada. TIPOS DE CONTROLADORES A)Contínuos: Continuamente recebem o sinal, tomam decisão e enviam o sinal. B)Descontínuos: Trabalham com sinais discretos. Ex: Controlador lógico programável (CLP).

4 Controladores CONTROLADORES CONTÍNUOS Executam duas funções: A)COMPARAÇÃO Comparam os valores das variáveis medidas com o valor do set-point. B)CORREÇÃO Calcula a modificação que deve ser feita à variável manipulada de modo a controlar o processo.

5 AÇÃO DOS CONTROLADORES Está diretamente ligada à ação dos elementos finais de controle (e não o contrário). A)AÇÃO DIRETA (Kc < 0) Para um aumento na variável medida o controlador aumenta o sinal de saída. B)ACÃO REVERSA (Kc > 0) Para um aumento na variável medida o controlador reduz o sinal de saída.

6 Controlador de Ação Direta

7 Controlador de Ação Direta Supondo set point constante, se a variável controlada tende a subir, o sinal de entrada da caixa Modo de Controle tenderá também a subir, e a correção idem, como mostra a Figura 74.

8 Controlador de Ação Direta Um controlador é dito de ação direta (AD) quando um aumento de sinal da variável medida (variável controlada) provoca um aumento do seu sinal de saída.

9 Controlador de Ação Inversa

10 Controlador de Ação Inversa Supondo set point constante, se a variável controlada tende a subir, o sinal de entrada da caixa Modo de Controle tenderá a descer, e a correção idem, como mostra a Figura 75.

11 Controlador de Ação Inversa Um controlador é dito de ação inversa (AI) quando um aumento de sinal da variável medida (variável controlada) provoca uma diminuição do seu sinal de saída.

12 Ações de uma válvula de controle Devemos pesquisar o melhor conjunto de associação para que se consiga alcançar o controle pretendido. Deve ser considerada a situação de segurança para a qual o sistema tem de evoluir no caso de falta de energia. Por exemplo: na ausência de ar, a válvula AA fechará, enquanto a válvula AF, na mesma situação, abrirá.

13 Modos de controle É a maneira pela qual um controlador faz a correção em resposta a um desvio da variável controlada. Os modos de controle são quatro: Duas posições (on-off) Proporcional Integral (reset) Derivativo (rate ou pre-act)

14 Modos de controle Industrialmente os controladores convencionais são construídos com os seguintes modos: Duas posições (on-off) Proporcional Proporcional + Integral (P + I) Proporcional + Derivativo (P + D) Proporcional + Integral + Derivativo (P + I + D)

15 Controle on-off É o mais simples e mais barato. Este modo de controle só permite duas posições do elemento final: aberto/fechado ou ligado/desligado.

16 Controle on-off Seu uso fica restrito a processos que apresentam grande capacitância ou a processo em que a oscilação não seja prejudicial. É um controle muito utilizado em sistemas de segurança.

17 Controle on-off com zona diferencial Um refrigerador, por exemplo, com set point em 5 C pode ligar quando a temperatura chegar a 7 C, e desligar quando cai a 3 C. Existe aí um diferencial ou zona morta de 4 C. Esta zona diferencial pode ser ajustada de acordo com a necessidade..

18 Controle proporcional Neste controle, a amplitude de correção é proporcional à amplitude do desvio. O elemento final se move para uma determinada posição, para cada valor de desvio. A informação de variação do processo chega ao controlador, onde é constatado o desvio do valor desejado. Neste momento o controlador começa a dar uma correção proporcional a este erro, mandando abrir ou fechar a válvula, para que a variável possa retornar ao valor desejado.

19 Controle proporcional Como neste modo de controle a correção é proporcional ao tamanho do erro, a válvula reagirá para determinada posição, que causará uma nova situação de equilíbrio ao processo, diferente da anterior. Após este equilíbrio, verifica-se a presença de um erro final chamado de off-set ou erro de regime. Este erro torna-se limitante para o uso do controlador puramente proporcional. Vale ressaltar que este erro pode ser minimizado e não eliminado automaticamente, o que pode ser feito através de um ajuste do controlador proporcional.

20 Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho)

21 Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho) Isto representa um ajuste inadequado da BP, ou seja, uma BP muito pequena (ou ganho, muito alto). Nota-se que o sistema está criticamente estável. Esta resposta representa que houve um aumento da BP (diminuição do ganho) em relação à resposta (instável)

22 Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho)

23 Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho) Nota-se que o controlador levará o processo a uma estabilidade. Quando o sistema parar de oscilar, restará o off-set característico do controlador proporcional. Esta resposta representa que houve um aumento da BP (diminuição do ganho) em relação à resposta de oscilação contínua.

24 Influência do ajuste da faixa proporcional (ou do ganho)

25 Controle proporcional + integral Tem-se aí o melhor dos dois modos de controle. O modo proporcional, que corrige os erros instantaneamente, e o integral, que se encarrega de eliminar, ao longo do tempo, o off-set característico do modo proporcional. Neste controlador, o modo integral executa automaticamente o reajuste manual que o operador faria para eliminar o off-set. A ação integral ocasiona uma correção tal que a velocidade de correção é proporcional à amplitude do desvio. O modo de correção integral não é utilizado sozinho, pois corrige muito lentamente

26 Controle proporcional + integral

27 Ajuste de um controlador integral

28 Controle proporcional + derivativo Resulta da associação entre o controlador proporcional e o derivativo. O modo derivativo acarreta uma correção proporcional à velocidade do desvio. Quando a variável se afasta do set-point, o modo derivativo faz com que a saída varie mais do que ocorreria somente com o modo proporcional. Como conseqüência, a variável tende a se aproximar mais rapidamente do set-point. Quando a variável está retornando ao set-point, o modo derivativo exerce uma ação contrária, reduzindo as eventuais oscilações e diminuindo o tempo de estabilização, diferente do que se houvesse somente a correção proporcional.

29 Controle proporcional + derivativo O efeito estabilizante do modo derivativo permite que se utilize uma faixa proporcional menor, ocasionando um off-set menor. Note-se, entretanto, que o modo derivativo não é capaz de eliminar o off-set, visto que não exerce qualquer ação quando se tem um desvio permanente (Figura 86).

30 Controle proporcional + derivativo

31 Ajuste de um controlador derivativo

32 Modos de Controle Controle proporcional + integral + derivativo

33 Modos de Controle Controle proporcional + integral + derivativo

34 Modo de Controle PID P CORREÇÃO PROPORCIONAL AO ERRO A correção a ser aplicada ao processo deve crescer na proporção que cresce o erro entre o valor real e o desejado. I CORREÇÃO PROPORCIONAL AO PRODUTO ERRO x TEMPO. Erros pequenos mas que existem há muito tempo requerem correção mais intensa. D CORREÇÃO PROPORCIONAL À TAXA DE VARIAÇÃO DO ERRO. Se o erro está variando muito rápido, esta taxa de variação deve ser reduzida para evitar oscilações.

35 Modo de Controle PID A equação mais usual do PID é apresentada a seguir: de Sc( t) K p [ E( t) Ki E( t) dt Kd ] dt Onde Kp, Ki e Kd são os ganhos das parcelas P, I e D, e definem a intensidade de cada ação.

36 Controladores Digitais Podem-se dividir os controladores digitais em dois tipos: a) Controladores digitais dedicados; b) Controladores lógicos programáveis, também conhecidos como CLPs.

37 1. Controladores digitais dedicados : Os controladores digitais dedicados são basicamente aplicações de microcontroladores em tarefas de controle cujo propósito específico é executar um algoritmo de controle gravado em sua memória EPROM, e em geral comunicar-se com dispositivos externos para troca de informações e atuação neles.

38 Como, por exemplo, medição e controle de temperatura, ligar /desligar motores, ler um teclado em sua entrada, etc. Programa-se a EPROM com códigos de máquina, linguagem Assembler ou linguagem C. O projetista deve conhecer bem o conjunto de instruções do microcontrolador utilizado, seu hardware e a tarefa de controle a ser realizada.

39 Exemplos de Controladores Digitais Dedicados 1.1 Controlador Digital Multi-Loop Smar CD 600 O CD600 é um poderoso controlador digital, microprocessado, de processos, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controle, com até 8 blocos PID e mais de 120 blocos de controle avançado.

40 1.2 Controladores de Temperatura

41 1.2.1 Controladores de Temperatura

42 1.3. Controlador de Energia Elétrica Características Principais: Processador industrial de alta performance; 1 entrada para medição de energia elétrica (compatível com medidores eletrônicos seriais da concessionária ou transdutores de energia saída pulso); 1 entrada para medição de água (hidrômetro saída pulso); 5 entradas para monitoração de status / alarmes (contato seco) ; 8 saídas à relé para controle de cargas (3A/250VAC) ;

43 2. Controlador Lógico Programável - CLP Os controladores lógicos programáveis (CLPs) oferecem uma grande flexibilidade para o usuário final; Para um mesmo hardware existe uma infinidade de aplicações especificadas em software e passíveis de alterações pelo usuário final.

44 O Controlador Lógico Programável, ou simplesmente PLC (Programmable Logic Controller), pode ser definido como um dispositivo de estado sólido - um Computador Industrial; Capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle (sequencia lógica, temporização e contagem, por exemplo); Além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de Sistemas Automatizados.

45 Historicamente os CLPs podem ser classificados nas seguintes categorias: 1ª GERAÇÃO: Programação em Assembly. Era necessário conhecer o hardware do equipamento, ou seja, a eletrônica do projeto do CLP. 2ª GERAÇÃO: Apareceram as linguagens de programação de nível médio. Foi desenvolvido o Programa monitor que transformava para linguagem de máquina o programa inserido pelo usuário.

46 3ª GERAÇÃO: Os CLPs passam a ter uma entrada de programação que era feita através de um teclado, ou programador portátil, conectado ao mesmo. 4ª GERAÇÃO: É introduzida uma entrada para comunicação serial, e a programação passa a ser feita através de microcomputadores. Com este advento surgiu a possibilidade de testar o programa antes do mesmo ser transferido ao modulo do CLP, propriamente dito.

47 5ª GERAÇÃO (atual): Os CLPs de quinta geração vem com padrões de protocolo de comunicação para facilitar a interface com equipamentos de outros fabricantes, e também com Sistemas Supervisórios e Redes Internas de comunicação..

48 2.1 CLP Industrial Cada CLP contém um microprocessador programado para controlar os terminais de saída de uma maneira especificada, com base nos valores dos terminais de entrada.

49 Família da GE Fanuc

50 Família ControlLogix

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52 Família SIMATIC S

53 Família S5

54 Família Atos MPC

55 2.2 CARACTERÍSTICAS DE HARDWARE Os principais componentes de hardware de um CLP são os seguintes: CPU (Central Processing Unit - Unidade Central de Processamento): compreende o processador (microprocessador, microcontrolador ou processador dedicado), o sistema de memória (EPROM e RAM) e os circuitos auxiliares de controle; Cartões de E/S: Contém os circuitos necessários para interfacear os dispositivos de campo com o processador. Cada circuito de E/S possui isolação ótica para proteger contra transientes. Vários módulos têm filtros também. A maioria tem LEDS indicadores para sinalizar o estado de cada dispositivo de E/S conectado. Podem ser discretos (sinais digitais: 12VDC, 127 VAC, contatos de relés normalmente abertos, contatos normalmente fechados) ou analógicos (sinais analógicos: 4-20mA, 0-10VDC, termopar);

56 Fonte de Alimentação: responsável pela tensão de alimentação fornecida à CPU e aos Circuitos/Módulos de E/S. Em alguns casos, proporciona saída auxiliar (baixa corrente). A Base ou Rack é responsável pela sustentação mecânica dos elementos que compõem o CLP. Contém o barramento que faz a conexão elétrica entre eles, no qual estão presentes os sinais de dados, endereço e controle - necessários para comunicação entre a CPU e os Módulos de E/S, além dos níveis de tensão fornecidos pela Fonte de Alimentação - necessários para que a CPU e os Módulos de I/O possam operar.

57 Exemplo de Rack de 5 slots:

58 CLP Compacto: no mesmo invólucro estão a fonte, CPU e os módulos de E/S. CLP Modular: fonte, CPU e módulos de E/S são independentes

59 2.3 A arquitetura básica de um CLP é formada por: Uma fonte de alimentação; Uma Unidade Central de Processamento (CPU); Um sistema de memória; Módulos de entrada e saída.

60 Arquitetura Interna de um CLP VCC P Isolamento Óptico X0 X1 X2 E N T R A D A S Elementos de Entrada Fonte de Alimentação Unidade Central de Processamento (CPU) Sistema de Memória S A Í D A S Isolamento Óptico Y0 Y1 Y2 Elementos de Saída GND

61 2.3.1 Fonte de alimentação: Converte a tensão da rede de 110 ou 220 VCA em +5VCC, +12VCC ou +24VCC para alimentar os circuitos eletrônicos, as entradas e as saídas. Bateria: Utilizada para manter o circuito do relógio em tempo real. Normalmente são utilizadas baterias recarregáveis do tipo Ni - Ca.

62 2.3.2 Unidade Central de Processamento - CPU : A CPU do CLP é formada pelo microprocessador e seus circuitos de controle e comunicação. O microprocessador é o elemento principal da arquitetura do controlador digital e tem como funções o controle dos barramentos, o gerenciamento das comunicações com a memória e os dispositivos de entrada/ saída, e a execução das instruções.

63 O microprocessador interpreta os sinais de entrada; Executa a lógica de controle segundo as instruções do programa de aplicação; Realiza cálculos; Executa operações lógicas, para, em seguida, enviar os sinais apropriados às saídas.

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65 2.3.3 Módulos de Entradas/Saídas: Os circuitos de entrada formam a interface pela qual os dispositivos enviam informações de campo para o CLP ; As entradas podem ser digitais (discretas) ou analógicas e são provenientes de elementos de campo como sensores, botões, pressostatos, chaves fim-de-curso, etc.

66 As entradas digitais fornecem apenas um pulso ao controlador, ou seja, elas tem apenas um estado ligado ou desligado, nivel alto ou nivel baixo, remontando a algebra boolena que trabalha com uns e zeros. Alguns exemplos são: as botoeiras, válvulas eletropneumaticas, os pressostatos e os termostatos.

67 Os dispositivos de saída, tais como solenóides, relés, contatores, válvulas, luzes indicadoras e alarmes estão conectados aos módulos de saída do CLP; As saídas de maneira similar às entradas podem ser digitais ou analógicas; As saídas digitais são geralmente isoladas do campo por meio de isoladores galvânicos, como acopladores ópticos ou relés.

68 As saídas digitais exigem do controlador apenas um pulso que determinara o seu acionamento ou desacionamento. Como exemplos tem-se: Contatores que acionam os Motores de Inducão e as Válvulas Eletropneumaticas.

69 Existe uma grande variedade de módulos de entrada e saída como: módulo de entrada de corrente contínua para tensões de 24 Volts, módulo de entrada para corrente alternada para tensões de 120 e 220 Volts.

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73 Módulos de Entradas e Saídas Analógicas As entradas analógicas medem as grandezas de forma analógica. Para trabalhar com este tipo de entrada os controladores tem conversores analógicodigitais (A/D).

74 A saída analógica necessita de um conversor digital para analógico (D/A), para trabalhar com este tipo de saída. Os exemplos mais comuns são: válvula proporcional, acionamento de motores DC, displays gráficos, entre outros.

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76 2.3.4 Sistemas de Memória: O sistema de memórias é constituído tipicamente por memórias EPROM e RAM; O programa e os dados armazenados no sistema de memória são geralmente descritos utilizando-se alguns conceitos.

77 Memória Residente (EPROM): contém os programas considerados parte integrante do sistema, permanentemente armazenados, que supervisionam e executam a sequencia de operações, as atividades de controle e comunicação com os dispositivos periféricos, bem como outras atividades.

78 Memória do Usuário (tipo RAM, EEPROM ou FLASH- EPROM): armazena o programa aplicativo do usuário, ou seja, o programa de aplicação. Memória de Dados ou Tabela de Dados (RAM): nessa área são armazenados os dados associados com o programa de controle, tais como valores de temporizadores, contadores, constantes, etc. Memória Imagem das Entradas e Saídas (RAM): área que reproduz o estado de todos os dispositivos de entrada e saída conectados ao CLP.

79 2.4 Princípio de funcionamento O CLP funciona segundo um programa permanentemente armazenado em memória EPROM, que executa um ciclo de varredura chamado scan time e consiste de uma série de operações realizadas de forma sequencial e repetida. A figura a seguir apresenta, em forma de fluxograma, as principais fases do ciclo de varredura de um CLP.

80 Seqüência de Funcionamento do CLP Início Ler entradas. (Tabela imagem das Entradas). Executar Programa de Aplicação. Atualizar Saídas. (Tabela Imagem das Saídas) Realizar Diagnósticos

81 Atualização das entradas: durante a varredura das entradas, o CLP examina os dispositivos externos de entrada quanto à presença ou à ausência de tensão, isto é, um estado energizado ou desenergizado. O estado das entradas é atualizado e armazenado temporariamente em uma região da memória chamada tabela imagem das entradas.

82 Execução do programa: durante a execução do programa, o CLP examina as instruções do programa de controle (armazenado na memória RAM), usa o estado das entradas armazenadas na tabela imagem das entradas e determina se uma saída será ou não energizada. O estado resultante das saídas é armazenado em uma região da memória RAM chamada tabela imagem das saídas.

83 Atualização das saídas: baseado nos estados dos bits da tabela imagem das saídas, o CLP energiza ou desenergiza seus circuitos de saída, que exercem controle sobre dispositivos externos. Realização de diagnósticos: ao final de cada ciclo de varredura a CPU verifica as condições do CLP, ou seja, se ocorreu alguma falha em um dos seus componentes internos (fonte, circuitos de entrada e saída, memória, etc).

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86 Os circuitos auxiliares atuam em caso de falha do CLP são: a) POWER ON RESET: desliga todas as saídas assim que o equipamento é ligado, isso evita que possíveis danos venham a acontecer. b) POWER DOWN: monitora a tensão de alimentação salvando o conteúdo das memórias antes que alguma queda de energia possa acontecer.

87 2.4.1 Ciclo de trabalho da CPU O CLP executa cada linha do programa de forma sequencial, não volta atrás para executar a linha anterior, até que se faça a próxima varredura do programa. As linhas são normalmente ordenadas de forma a configurar uma sequencia de eventos, ou seja, a linha mais acima é o primeiro evento e, assim, sucessivamente. O CLP não executa loops ou desvios como na programação tradicional.

88 Tanto nos diagramas elétricos como nos programas em linguagem Ladder, o estado das instruções de entrada (condição) de cada linha determina a seqüência em que as saídas são acionadas.

89 2.5 Classificação do CLPs Os CLPs podem ser classificados segundo a sua capacidade: a) Nano e micro CLPs: possuem até 16 entradas e 16 saídas. Normalmente são compostos por um único módulo com capacidade de memória máxima de 512 passos. b) CLPs de médio porte: capacidade de entrada e saída em até 256 pontos, digitais e analógicas. Permitem até 2048 passos de memória.

90 c) CLPs de grande porte: construção modular com CPU principal e auxiliar. Módulos de entrada e especializados, módulos para redes locais. Permitem a utilização de até 4096 pontos. A memória pode ser otimizada para o tamanho requerido pelo usuário.