Introdução ao Sistema de Controle de Processos MPS-PA Estação Compacta

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1 Alunos: Nota: Data: Introdução ao Sistema de Controle de Processos MPS-PA Estação Compacta 1.1 Objetivo Este texto descreve sucintamente a estação compacta da Festo para experimentos em controle de processos e apresenta diversas formas de efetuar leituras de seus sensores e acionar suas saídas. Além da familiarização com os componentes e a configuração da estação, o principal objetivo a ser alcançado é equipar o aluno com ferramentas que lhe permitam analisar e controlar os processos ali implementados. 1.2 Introdução Em variados processos industriais, é comum haver necessidade de controlar o nível de um reservatório, ou a temperatura de um ambiente, ou a vazão numa tubulação ou a pressão num cilindro, entre muitas outras situações. Normalmente, não são sistemas de controle isolados, mas interligados, formando complexas plantas industriais. Entretanto, não importa quão complexo seja o sistema, ele é sempre composto de subsistemas mais simples. Por isso, a assimilação dos conceitos básicos de controle e da tecnologia de aquisição de dados em uma estação compacta como esta da Festo é um primeiro e importante passo para a compreensão, a análise e o projeto de sofisticados sistemas de controle. 1

2 1.3 Descrição dos Componentes do Processo UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC Nesta seção, apresenta-se a bancada MPS-PA Estação Compacta (Figura 1); seus principais componentes (Tabela 1) e outros dispositivos importantes (Tabela 2) são brevemente descritos. Além disso, o mapeamento dos endereços do EasyPort para cada entrada ou saída do processo é fornecido na Tabela Figura 1 Bancada didática MPS-PA Estação Compacta 2

3 Tabela 1 - Descrição dos componentes da bancada didática 01 B101 - Sensor Ultrassônico Saída Analógica 02 Tanque de 10 litros 03 V102 - Válvula de esfera com atuador pneumático Controle Digital 04 V106 - Válvula 2/2 vias proporcional Controle Analógico 05 B102 - Sensor de vazão optoeletrônico 06 E104 Aquecedor Leitura Analógica Controle Digital 07 M101 - Bomba Centríuga Controle Digital ou Analógico 08 Fonte de alimentação da bancada em 24V CC 09 CLP Siemens S Botoeiras NA, NC e comandado por chave. Entradas digitais do CLP 11 I/O Board com conversores de sinal e controlador do motor 12 B103 - Sensor de Pressão com célula cerâmica Saída Analógica 13 B104 - Sensor de temperatura tipo PT Trolley Saída Analógica 3

4 Tabela 2 - Outros dispositivos importantes UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC B113 e B114 Sensor Capacitivo de Monitoramento do Nível Saída Digital S112 Sensor de nível do tipo flutuador para detectar o aumento ou decréscimo de nível. S117 e S111 Sensor de nível do tipo flutuador de segurança para que o aquecedor só ligue se imerso totalmente e para que não exceda o volume do tanque 101. Saída Digital Manômetro Analógico Leitura até 1 bar Válvula Manual Controle do circuito do fluído Easyport: Placa de aquisição de dados Festo Simulation Box. Emulador de sinais de entrada e saída analógica. Tabela 3- Mapeamento de entradas e saídas do Easyport IN OUT Digital Analógico Dispositivo Bit Dispositivo N o. B102 0 S111 1 S112 2 B113 3 B114 4 S115 5 B101 0 B102 1 B103 2 S116 6 B104 3 V102 0 E104 1 Modo Bomba: 0 Digital 1 Analógico M V106 4 M101 0 V

5 1.4 Descrição dos Componentes de Controle UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC A bancada MPS-PA Estação Compacta da FESTO pode ser controlada de diferentes formas, com a utilização de diferentes recursos. Nesta seção, são apresentados alguns recursos que poderão ser utilizados ao longo da disciplina. Festo Simulation Box O Simulation Box serve para comissionamento da estação e verificação das entradas e saídas digitais e analógicas. Para utilizá-lo, basta conectá-lo diretamente à estação com os cabos syslink crossover digital e analógico. Easy Port Figura 2 Simulation Box O EasyPort é o dispositivo de aquisição de dados que permite o controle de processos via computador através de um software supervisório desenvolvido pela Festo (FluidLab), através do Simulink ou LabVIEW. Figura 3 Easyport 5

6 FluidLab Para utilizar o software FluidLab, deve-se abrir o atalho FluidLab-PA (CWS or EduKit PA) disponível na área de trabalho. Ao abrir é preciso aguardar até que o software identifique o EasyPort USB; caso ele não identifique, é necessário desconectar e conectar novamente o cabo USB do computador. Simulink Figura 4 Fluid Lab (Supervisório desenvolvido pela FESTO) Para poder controlar os processos da bancada através do Simulink, é imprescindível a OPC Toolbox, já disponível no pacote MATLAB./Simulink Labview É possível controlar os processos da bancada através da utilização do LabVIEW 8.2 ou superior. Para tal, deve-se utilizar o Easy Port ActiveX Control disponibilizado pela FESTO. 6

7 1.5 Trabalho em Laboratório Tarefa 1: Conexão e uso do Simulation Box UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC Conecte o dispositivo Festo Simulation Box conforme mostra a Figura 5. Figura 5 Esquema de conexão do Simulation box A seguir, configure a direção das válvulas da bancada de tal forma a permitir um fluxo de água circulando entre os dois tanques. Utilizando o Simulation Box, ative saídas analógicas e digitais de tal forma a realizar as seguintes atividades: 1. Na cartela de etiquetas do Simulation Box, anote o mapeamento de todas as entradas e saídas; 2. Leia os valores máximo e mínimo fornecidos pelo sensor de nível e indique a correspondência (em tensão) de tanque cheio e vazio; 3. Leia os valores máximo e mínimo fornecidos pelo sensor de vazão e indique a correspondência (em tensão) de vazão mínima e vazão máxima. 7

8 Tarefa 2: Conexão do EasyPort e uso do FluidLab para leituras e acionamentos Conecte o EasyPort conforme indicado na Figura 6. Figura 6 Esquema de conexão do EasyPort A Figura 7 apresenta a janela de configuração do FluidLab, um aplicativo que permite ler as variáveis acessíveis do sistema e acionar as suas saídas. Figura 7 Janela de configuração do FluidLab Execute o FluidLab e, através do setup, realize as seguintes atividades: 1. Confira o mapeamento de entradas e saídas com os componentes da bancada; 2. Leia os valores máximo e mínimo do volume (em litros) indicados pelo FluidLab. Para conseguir isso, é necessário encher o tanque 2; 3. Leia os valores máximo e mínimo da vazão (em litros/minuto) indicados pelo FluidLab (faça a bomba atingir a capacidade máxima, partindo do repouso); 4. Leia os valores máximo e mínimo de pressão (em bar) indicados pelo FluidLab (faça a bomba atingir a capacidade máxima, partindo do repouso). 8

9 Tarefa 3: Usando o Simulink para acionamento de saídas e aquisição de sinais do processo Num novo arquivo de simulação do Simulink, adicione o bloco OPC Configuration. Este bloco serve para configurar a conexão da bancada com o Simulink utilizando o protocolo de comunicação OPC. Clique duas vezes neste bloco para abrir a janela Block Parameters: OPC Configuration; nesta janela, clique em Configure OPC Clients e, então, em ADD. Na janela OPC Server Properties, clique em Select e selecione o servidor FestoDidactic.EZOPC.1. As entradas e saídas digitais e analógicas já estarão disponíveis para serem utilizadas. Bloco de Configuração Bloco de Leitura Digital e Analógico Bloco para Escrita de saídas digitais e analógicas Figura 8 - Descrição dos blocos para aquisição de dados através do Simulink Para ler ou escrever numa das variáveis do processo, basta clicar duas vezes sobre o bloco OPC Read ou OPC Write, clicar em Add Items e selecionar o endereço delas. Os sinais analógicos de entrada são representados por números inteiros de 16 bits, variando de 0 até Para testar o Simulink, escolha um dos processos, monte o diagrama de blocos para ensaio de acordo com a Figura 9 e aplique uma entrada degrau de Simule durante um tempo apropriado e armazene a entrada e a saída para análise posterior. Figura 9 - Diagrama de blocos para análise 9

10 Tarefa 4: Utilizando o Labview para acionamento de saídas e aquisição de sinais do processo Inicialmente, monte o Painel conforme apresentado na Figura 10. Figura 10 - Painel frontal do sistema de aquisição A seguir, conecte os diagramas de bloco, conforme a Figura 11. Figura 11 - Parte inicial do diagrama de blocos, com abertura de conexão 10

11 Esta primeira parte mostra a inicialização do sistema de aquisição. O primeiro bloco da esquerda para a direita corresponde ao Activex Container, no qual deve ser carregado o ActiveX disponibilizado pela Festo Didactics. O segundo bloco é um ponteiro para o ActiveX do Container. O terceiro bloco é um método do ActiveX Easy Port, denominado Connect, que serve para conectar a uma determinada COM da porta serial; como resultado, devolve o número de dispositivo dentro de um conjunto de possíveis easyports ligadas no sistema. A segunda parte corresponde à implementação do ciclo de leitura e escrita das entradas/saídas analógicas/digitais (Figura 12). Figura 12 - Leitura e escrita de dados 11

12 Segundo as características do ActiveX apresentadas pela FESTO, a função de leitura da entrada analógica não opera simultaneamente com as outras funções do ActiveX. Para lidar com este problema, sugere-se que a função de entrada analógica opere a cada ciclo par da estrutura While, enquanto as demais funções operem a cada ciclo ímpar. Dentro deste loop while, destacam-se as seguintes funções: i) Saída analógica 0 conforme apresentada na Figura 13. Figura 13 - Saída analógica 0 ii) Saída digital conforme apresentada na Figura 14. Figura 14 - Saída digital iii) Entrada digital conforme apresentada na Figura 15. Figura 15 - Entrada digital 12

13 iv) Entrada analógica 0 conforme apresentada na Figura 16. Figura 16 - Entrada analógica 0 Observa-se que o tratamento da saída analógica só é executado em ciclos pares da estrutura While. Maiores detalhes serão passados em sala de aula. Finalmente, na última parte (Figura 17), apresenta-se o fechamento da conexão. Figura 17 - Fechamento da conexão Após seguir estas instruções e testar o aplicativo Labview, realize as seguintes tarefas: 1. Acrescente ao aplicativo componentes para exibir a simulação em gráfico e armazená-la em arquivo na forma de tabela para posterior análise. O diagrama de blocos da Figura 18 apresenta os blocos adicionais necessários para armazenar 2 vetores de dados num arquivo de texto. Figura 18 - Blocos adicionais para salvar em um arquivo 2. Escolha o mesmo processo da tarefa anterior e aplique uma entrada em degrau de Para ser comparável com a tarefa anterior, o tempo de simulação deverá ser compatível. Os resultados da simulação deverão ser salvos em um arquivo. 13

14 1.6 Questionário e Atividades Extraclasse UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC Parte I: Referente às tarefas 1 e 2 1. A partir da cartela de mapeamento obtido na tarefa 1, monte uma tabela descritiva e compare com os dados fornecidos pelo fabricante (Tabela 3). Descreva as suas impressões. 2. Para cada um dos processos (nível, pressão e vazão), apresente, através de uma tabela, o mapeamento da escala de tensão com as suas respectivas unidades. Por exemplo, para o processo de nível, uma escala de valor mínimo em tensão até um valor máximo em tensão corresponde a valor mínimo em litros até um valor máximo em litros. Comente as suas impressões. Parte II: Referente às tarefas 3 e 4 1. Com os dados salvos das tarefas 3 e 4, use o Matlab para sobrepor num mesmo gráfico os resultados da simulação de ambas tarefas. Descreva as suas impressões. 14