PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA PLANTA HIDRÁULICA INDUSTRIAL Jair Elisio Andrade Ferreira Silva, Andrés Ortiz Salazar, André Laurindo Maitelli, Rafael Guerreiro da Cunha Magalhães, Anderson Luiz de Oliveira Cavalcanti Universidade Federal de Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Elétrica Campus Universitário Lagoa Nova 59.072-970 Natal - RN jairelisio@ig.com.br, andres@leca.ufrn.br, maitelli@leca.ufrn.br, rafael@engcomp.ufrn.br, randerson@engcomp.ufrn.br Resumo. Este trabalho consiste no projeto e construção de uma planta didática para controle de nível e de temperatura da água de um reservatório, utilizando instrumentação industrial. Esta planta deverá ser utilizada no ensino de disciplinas de Sistemas de Controle, Instrumentação para Controle e Automação, Eletrônica de Potência, Sistemas de Supervisão e Controladores Lógicos Programáveis, dos cursos de Engenharia Elétrica e de Engenharia de Computação. A planta basicamente formada por dois reservatórios, um superior (a planta, cujo nível e temperatura serão controlados) e outro inferior (depósito). Será utilizada uma bomba trifásica de 1/2 CV, acionada por um conversor de freqüência, para bombear a água do reservatório inferior para o superior. Para o controle da temperatura será utilizada uma resistência alimentada por uma tensão variável. A malha de controle de nível será composta por um transmissor inteligente de pressão diferencial configurado para medição de nível, o qual fornece uma saída, para um Controlador Lógico Programável (CLP), onde será implementada a lei de controle PID. O sinal de saída do controlador será enviado ao Conversor de Freqüência, o qual permitirá a variação da velocidade da bomba. Temos também a presença de um outro transmissor de pressão diferencial, configurado para medição de vazão, usado em conjunto com um sensor tipo placa de orifício. O PLC fará comunicação com um Sistema Supervisório, que permitirá a visualização remota de todo o sistema, permitindo também a alteração do ponto de operação e dos parâmetros dos controladores. Palavras-chave: Controle de Nível, CLP, Supervisorio MTE - 265
1. INTRODUÇÃO O ensino de controle automático e instrumentação requer aulas de laboratório, onde são demonstrados os conceitos mostrados em sala de aula. A maioria das plantas didáticas existentes nos laboratórios, apesar de cumprirem o seu propósito, estão distantes da prática, pois os sensores e atuadores utilizados são muito diferentes daqueles que o futuro engenheiro encontrará na indústria. Para atender a estes requisitos, construímos em nosso laboratório uma planta didática para controle de nível e temperatura da água de um reservatório, utilizando instrumentação industrial, incluindo PLC, transmissores inteligentes, sensor de vazão, sensor de temperatura, bomba d'água e inversor de freqüência, além de um sistema supervisório. Todos estes equipamentos são montados em um rack, construído especialmente para este propósito. Em nosso laboratório, temos investido na construção de plantas didáticas de controle, [1]. 2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA O sistema consiste de uma estrutura metálica móvel de 1mx0,75mx1m (comprimento largura altura), com dois pisos, responsável pelo suporte de todos os elementos do sistema. Assim, no piso inferior teremos o reservatório auxiliar TQ-01, com 100 litros, para fornecimento e depósito do fluido, a bomba hidráulica centrífuga de ½ CV, assim como os três transmissores inteligentes (microprocessados, sendo dois de pressão e um de temperatura). No piso superior teremos o reservatório principal TQ-02, com 22 litros, a planta propriamente dita. Acoplados ao TQ-02 teremos o sensor resistivo de temperatura de Platina PT-100, o resistor de aquecimento (1500 w) e seu respectivo circuito atuador. Teremos ainda no TQ-02, duas tomadas de pressão com 0,18 de diâmetro (para medição do nível), um orifício para entrada do fluido (diâmetro = 1 ¼ ) e outro para saída (válvula manual). Ainda no piso superior ficarão o CLP (Controlador Lógico Programável ) para controle do nível e temperatura, e um Laptop rodando o programa de Supervisão do Sistema (Intouch), o inversor de freqüência- para acionamento da bomba, o sistema de alimentação (12 a 45 Vcc ) dos transmissores e o sistema de ligação e proteção elétrica do sistema (contactores, fusíveis e disjuntor). A Figura 1 mostra o sistema completo. 2.1. Sistema de controle de nível Figura 1- Planta hidráulica e seus elementos O controle de nível será feito pelo CLP. O nível é medido tomando-se as pressões manométrica e hidrostática correspondentes ao nível (coluna) do fluido no interior do reservatório TQ-02. Levando-se essas duas pressões para o transmissor inteligente de pressão,a pressão diferencial relativa é transformada em níveis de tensão/corrente correspondentes e é encaminhada para o CLP, onde é implementada a lei de controle PID. O controlador recebe o sinal do nível (variável de processo) e gera o sinal (variável manipulada) que será enviado ao inversor de freqüência, de modo a acionar a bomba para manter o nível no valor especificado (SetPoint). Todas essas variáveis são monitoradas e visualizadas em tempo real pelo Sistema Supervisório InTouch. MTE - 266
Medição de nível. O nível é medido tomando-se as pressões manométrica e hidrostática no interior do reservatório. Levando-se essas duas pressões para o transmissor de pressão, a pressão diferencial será transformada em níveis de tensão/corrente de acordo com a variação na célula capacitiva do transmissor, como será mostrado mais adiante. É utilizado um transmissor inteligente LD-301 da Smar, [4]. Controlador lógico programável. O Controlador Lógico Programável é um equipamento microprocessado que executa funções de controle de vários tipos e níveis de complexidade, [2,3]. Existem várias linguagens para a programação de CLP s, sendo a mais usada a linguagem Ladder, derivada da lógica a relés. Basicamente, o CLP possui quatro partes funcionais: unidade de processamento central, memória, módulos de entrada / saída e unidade de programação. A Unidade de Processamento Central é o cérebro do sistema do CLP, controla e supervisiona todas as operações dentro do controlador, executando as instruções programadas armazenadas na memória. O CLP usa dispositivos de memória a semicondutor, para armazenar programas, como memória RAM de leitura/escrita ou uma memória ROM programável de EPROM ou EEPROM. Os módulos de entrada / saída (E/S) constituem o elo físico entre o processo externo e a CPU do CLP. Nesse caso,os módulos usam circuitos de interface para receber os sinais proporcionais às variáveis do processo pressões diferenciais e temperatura,e os terminais do módulo de saída fornecem tensões para energizar o inversor de freqüência e o circuito atuador da resistência. Em geral, usa-se um microcomputador pessoal (PC) como dispositivo de programação de um CLP, permitindo a fácil edição de diagramas Ladder na tela e o monitoramento da operação do CLP. A grande memória disponível nos modernos PCs de 16 bits é ideal para a armazenagem de vários programas completos de CLP com comentários e documentação. O uso de PC como dispositivos de programação de CLPs também permite ao usuário ter acesso a outras facilidades de programas para gerenciamento de projeto, como banco de dados, planilhas e processamento de texto. Controle de bombemento. Os motores de indução são equivalentes a um transformador onde o primário é o estator do motor e o secundário o rotor. O fluxo alternado Φ 1 resultante da tensão alternada U 1 no estator, induz uma f.e.m. no rotor e esta f.e.m. induz um fluxo Φ2, que é proporcional à tensão U2 e inversamente proporcional à freqüência : Φ 2 α U 2 / f (1) ~ 220V 60Hz Retificador Inversor Motor Figura 2 Inversor trifásico Para um fluxo constante, a relação U2/f deve ser constante para se ter um torque constante. A tensão U2 não pode ser medida, mas pode ser calculada conhecendo-se todas as componentes do circuito equivalente do motor. A conversão de freqüência aplicada ao motor pode ser feita por meio do circuito simplificado mostrado na Figura 2. Na rede de entrada a freqüência é fixa (60 Hz) e a tensão é transformada pelo retificador de entrada em contínua pulsada (onda completa). O capacitor (filtro) transforma-a em tensão contínua pura de valor aproximado de: V dc = 2V rede (2) Esta tensão contínua é conectada ciclicamente aos terminais de saída pelos transistores do inversor, que funcionam no modo corte ou saturação (como uma chave estática).o controle desses transistores é feito pelo circuito de comando, de modo a obter um sistema de tensão pulsada, cujas freqüências fundamentais estão defasadas da 120. A tensão e a MTE - 267
freqüência de saída são escolhidas de modo que a tensão U2 seja proporcional à freqüência f, para que o fluxo Φ2 seja constante e o torque também o seja, [10]. A tensão de saída tem forma de onda senoidal, e varia por modulação por largura de pulso (PWM), o que possibilita uma corrente senoidal no motor para uma freqüência de modulação de 2 KHz. Este sistema permite o acionamento de motores de indução com freqüências entre 1 e 60 Hz com um torque constante, sem aquecimentos anormais e nem vibrações exageradas. O controle da bomba pelo inversor proporciona as seguintes vantagens: acionamento silencioso da bomba, interface com teclado de membrana táctil, alto torque de partida, transistor de frenagem interno e controle da potência de saída da bomba. 2.2 Sistema de controle da temperatura Medição da temperatura. A temperatura será medida com um Detector Resistivo de Temperatura de Platina- PT100- que apresenta 100Ω a 0ºC e 137 Ω a 100 ºC, com uma variação quase linear nessa faixa. A termoresistência de platina é a mais usada industrialmente devido a sua grande precisão e estabilidade. Convencionou-se chamar PT-100 a termoresistência de platina que apresenta uma resistência ôhmica de 100Ω a 0ºC, [8, 9]. Esse sensor será acoplado ao transmissor inteligente de temperatura TT-301 da Smar, [5], que transformará os níveis de corrente/tensão em níveis de temperatura. O TT-301 aceita sinais de geradores de mv,tais como RTDs. Para isso é necessário que o sinal esteja dentro da faixa de entrada. Para mv, a faixa é de 50 a 500mV e para a resistência, 0 a 2000 Ohms. De acordo com a temperatura do fluido o RTD fornecerá níveis de tensão/resistência dentro da faixa admissível pelo TT-301, que por sua vez compara a variável do processo com o Setpoint (referência). O desvio atua no sinal de saída de acordo com o algoritmo PID do CLP. A saída fica ligada ao circuito atuador, responsável pela variação no fornecimento de tensão ao resistor e, portanto, na potência dissipada. O diagrama de blocos do TT-301 é mostrado na Figura. 3. Figura 3 - Diagrama de blocos do TT-301 Resistor de aquecimento. O atuador é baseado no CI TCA 785 que de acordo com o programa do CLP manda pulsos de habilitação para o triac ligado à carga,controlando-se o tempo em que o triac conduz, controla-se a tensão na carga (resistor) e consequentemente a energia dissipada ou liberada para o fluido. A Figura. 4 mostra o circuito de atuação MTE - 268
Figura 4 Circuito do Atuador de Temperatura 2.3 Medição de vazão A vazão será medida por uma placa de orifício com flange, com tomadas de pressão a montante e a jusante da placa de orifício, levadas para o transmissor de pressão. Após transformação da pressão diferencial em corrente (4 a 20 ma), o transmissor envia essas informações para o CLP. A vazão será unicamente monitorada. Dimensionamento da placa de orifício. O dimensionamento da placa foi todo baseado nas equações de Bernoulli: v 1 2 /2g + p 1 /ρ = v2 2 /2g + p 2 /ρ (3) s 1 * v 1 =s 2 * v 2 (4) Q = [(π*d 2 /4) * (2*g) 2 * β/(1-β 4 ) 0,5 * (h/ρ) 0,5 (5) d D d/ onde: v 1 é a velocidade do fluido a montante v 2 é a velocidade do fluido a jusante g é a gravidade ρ é a densidade do fluido p 1 é a pressão a montante p 2 é pressão a jusante s 1 é a área da tubulação s 2 é a área do orifício Q é a vazão D é o diâmetro da tubulação d é o diâmetro do orifício β = d / D h = p 2 p 1 (mmh2o) Figura 5- Placa de orifício Utilizando os dados da bomba quanto á vazão máxima possível para a tubulação de 1¼ e utilizando um ábaco foi encontrado o diâmetro do orifício. Utilizando o programa FLOWCALC32 encontraram-se valores aproximados. MTE - 269
Dados da placa: D=31 mm d=26 mm Sensor de pressão. O sensor existente no transmissor é do tipo capacitivo (célula capacitiva), mostrado esquematicamente na figura abaixo, [4]. Sabendo-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em função da área (A) das placas e da distância (d) que as separa como: onde ε é a constante dielétrica do meio, conforme a Figura 5. C = εa/d (6) Se CH e CL forem consideradas como capacitâncias de placas planas paralelas de mesma área, quando p 1 > p 2, tem-se: CH = εa/[(d/2) + d] (7) CL = εa/[(d/2) - d] (8) Figura 5- Célula capacitiva Se desenvolvermos a expressão (CL CH)/(CL + CH), obteremos : (CL CH)/(CL + CH) = 2 d / d (9) como a distância (d) entre as placas fixas de CH e CL é constante, percebe-se que a expressão (CL CH) / (CL + CH) é proporcional a d e, portanto, à pressão diferencial que se deseja medir. 3 SISTEMA DE SUPERVISÃO (SS) E CONTROLE Um sistema supervisório é um sistema capaz de supervisionar remotamente as variáveis envolvidas em um determinado processo. Tal necessidade se confirma pelo fato da observação in loco ser um tanto quanto deficiente e que na maioria das vezes é feita por operadores que não possuem conhecimento do processo como um todo. A utilização de sistemas supervisórios, possui ainda duas vantagens importantes: Proporcionam a substituição dos arcaicos quadros sinópticos, por uma interface homem-máquina bastante agradável; Possuem uma eficiência altíssima, pois além de poderem interfacear com diversos controladores e atuadores industriais, possuem controladores próprios; 3.1 Sistema supressório INTOUCH O sistema supervisório utilizado neste projeto é o InTouch. Este supervisório é bastante eficiente no que se refere à interface homem-máquina, tendo como funções básicas a supervisão, a monitoração e o controle. O InTouch consiste de três partes: o Application Manager, responsável pelo gerenciamento de toda e qualquer aplicação desenvolvida; o WindowMaker, ambiente de desenvolvimento do supervisório; e o WindowViewer, responsável pela visualização das aplicações executadas. MTE - 270
4 CONCLUSÕES O sistema projetado e construído será de grande utilidade para o ensino de diversas disciplinas na área de Automação. Também permitirá ao aluno verificar a integração existentes entre disciplinas como Controladores Lógicos Programáveis, Acionamento, Instrumentação, Eletrônica de Potência e Controle. Devido ao mesmo ser de fabricação própria, além de permitir um grande aprendizado no projeto e implementação de suas diversas partes, seu custo será o mínimo possível, determinado basicamente pelo custo dos transmissores, do inversor e do CLP. 5 REFERÊNCIAS [1] Maitelli, A. L., Salazar, A. O. & Araújo, G. M. Construção de uma planta didática de temperatura. Anais do Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia, pp. 826-834, Natal-RN, setembro 1999. [2] Georgini, M. Automação Aplicada. Editora Érica. São Paulo, 2000. [3] Natale, F. Automação Industrial. Editora Érica. São Paulo, 2000. [4] Smar.Transmissor Inteligente de Pressão com Controle PID Incorporado LD301. Manual de Instruções, Operação e Manutenção. Versão 5. Sertãozinho-SP, 2000. [5] Smar.Transmissor Inteligente de Temperatura com Controle PID Incorporado TT301. Manual de Instruções, Operação e Manutenção. Versão 2. Sertãozinho-SP, 2000. [6] Bolton, W. Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas. Marcombo, 1995. [7] Werneck, M. M. Transdutores e Interfaces. Livros Técnicos e Científicos Editora, 1997. [8] www.iope.com.br. Uso e Aplicação de Termosensores. Iope. [9] Poblet, J. M. Transductores y Medidores Electronicos. Mundo Electronico, 1977. [10] Rashid, M. H. Eletrônica de Potência. Circuitos, Dispositivos e Aplicações. Makron Books do Brasil, 1999. MTE - 271