Documentação de treinamento SCE para a solução de automação universal Totally Integrated Automation (TIA) Siemens Automation Cooperates with Education Módulo TIA Portal 010-060 Engenharia de controle com o SIMATIC S7-1200 Documentação de treinamento SCE Página 1 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Pacotes de instrutor SCE deste documento SIMATIC S7-1200 AC/DC/RELAIS 6º "TIA Portal" Nº de pedido: 6ES7214-1BE30-4AB3 SIMATIC S7-1200 DC/DC/DC 6º "TIA Portal" Nº de pedido: 6ES7214-1AE30-4AB3 SIMATIC S7-SW para treinamento STEP 7 BASIC V11 Upgrade (para S7-1200) 6º "TIA Portal" Nº de pedido: 6ES7822-0AA01-4YE0 Note que os pacotes de instrutor podem ser substituídos por pacotes atualizados. Um resumo dos pacotes SCE atualmente disponíveis pode ser encontrado em: siemens.com/sce/tp Treinamentos avançados Para treinamentos avançados SCE Siemens, entre em contato com o parceiro SCE da sua região siemens.com/sce/contact Outras informações sobre SCE siemens.com/sce Nota sobre o uso A documentação de treinamento para a solução de automação universal Totally Integrated Automation (TIA) foi elaborada para o programa "Siemens Automation Cooperates with Education (SCE)" especificamente para fins educacionais. A Siemens AG não assume nenhuma responsabilidade sobre o conteúdo. Este documento só pode ser utilizado para o treinamento inicial em produtos/sistemas da Siemens. Isto é, ele pode ser copiado em sua totalidade ou parcialmente e ser entregue aos alunos para uso durante o treinamento. A transmissão e reprodução deste documento, bem como a divulgação de seu conteúdo, são permitidas apenas para fins educacionais. As exceções demandam a aprovação por escrito do representante da Siemens AG: Sr. Roland Scheuerer roland.scheuerer@siemens.com. As violações estão sujeitas a indenização por danos. Todos os direitos, inclusive da tradução, são reservados, particularmente para o caso de registro de patente ou marca registrada. A utilização em cursos para clientes industriais é expressamente proibida. O uso comercial dos documentos não é autorizado. Agradecemos à empresa Michael Dziallas Engineering e todas as pessoas pelo auxílio na elaboração deste documento. Documentação de treinamento SCE Página 2 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
PÁGINA: 1. Prefácio... 4 2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200... 6 2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200... 6 2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11)... 6 3. Fundamentos da engenharia de controle... 7 3.1 Tarefas da engenharia de controle... 7 3.2 Componentes de um circuito de controle... 8 3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados... 11 3.4 Sistemas controlados com compensação... 12 3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo... 12 3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo... 13 3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo... 14 3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo... 15 3.5 Sistemas controlados sem compensação... 16 3.6 Tipos básicos de controladores contínuos... 17 3.6.1 O controlador proporcional (controlador P)... 18 3.6.2 O controlador integral (controlador I)... 20 3.6.3 O controlador PI... 21 3.6.4 O controlador diferencial (controlador D)... 22 3.6.5 O controlador PID... 22 3.7 Meta no ajuste do controlador... 23 3.8 Ajustes dos sistemas controlados... 25 3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols... 26 3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick... 26 3.9 Controladores digitais... 28 4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque... 30 5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200... 31 Documentação de treinamento SCE Página 3 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
1. Prefácio O conteúdo do módulo SCE_PT_010-060 constitui a unidade de aprendizado 'Fundamentos da programação CLP' e descreve a programação de controladores PID no SIMATIC S7 1200 com o TIA Portal. Fundamentos da programação CLP Módulo 10, módulo 20 Fatores adicionais para a programação CLP Módulo 30 Simulação do sistema SIMIT Módulo 150 Outras linguagens de programação Módulo 40 PROFIBUS PROFINET Módulo 60 Módulo 70 AS-Interface Módulo 50 Tecnologia de segurança Módulo 80 Tecnologia de sensores Módulo 110 Visualização do processo (IHM) Módulo 90 Tecnologia de acionamento Módulo 100 Meta de aprendizado: O leitor deverá aprender neste módulo a programação de controladores PID com o SIMATIC S7-1200 com a ferramenta de programação TIA Portal. O módulo apresenta os fundamentos e demonstra o procedimento com base em um exemplo detalhado. Pré-requisitos: Para um bom entendimento desse módulo, é necessário conhecimento sobre Windows Fundamentos da programação de CLP's com o TIA Portal (por exemplo, módulo 010-010 - Programação 'startup' do SIMATIC S7-1200 com o TIA Portal V11) Blocos para o SIMATIC S7-1200 (por exemplo, módulo 010-020 Tipos de bloco no SIMATIC S7-1200) Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200 (por exemplo, módulo 010-050 Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200) Documentação de treinamento SCE Página 4 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Hardware e software necessários 1 PC Pentium 4 com 1.7 GHz, 1 GB de RAM (XP) ou 2 GB de RAM (Vista), espaço livre em disco de aprox. 2 GB Sistema operacional Windows XP Professional SP3 / Windows 7 Professional / Windows 7 Enterprise / Windows 7 Ultimate / Windows 2003 Server R2 / Windows Server 2008 Premium SP1, Business SP1, Ultimate SP1 2 Software STEP 7 Professional V11 SP1 (TIA Portal V11) 3 Conexão Ethernet entre o PC e o CLP 315F-2 PN/DP 4 CLP SIMATIC S7-1200, p.ex., CPU 1214C. As entradas deverão ser executadas em um painel de controle. 1 PC 2 STEP 7 Professional V11 (TIA Portal) 3 Conexão Ethernet 4 S7-1200 com CPU 1214C Documentação de treinamento SCE Página 5 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200 2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200 O sistema de automação SIMATIC S7-1200 é um sistema de microcontrolador modular para as faixas de baixa e média potência. Existe uma ampla gama de módulos para a adaptação ideal em diferentes tarefas de automação. O controlador S7 é composto de uma fonte de alimentação, uma CPU e módulos de entrada e de saída para os sinais digitais e analógicos. Eventualmente, também são aplicados módulos funcionais e de comunicação para tarefas específicas, como por exemplo, o controle do motor de passo. O controlador lógico programável (CLP) monitora e controla uma máquina ou um processo por meio do software S7. No software S7, os módulos de Input/Output (I/O) são consultados através de endereços de entrada (%I) e endereçados através de endereços de saída (%Q). O sistema é programado com o software STEP 7. 2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) O software STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) é a ferramenta de programação para os sistemas de automação - SIMATIC S7-1200 - SIMATIC S7-300 - SIMATIC S7-400 - SIMATIC WinAC Com STEP 7 Professional V11, as seguintes funções podem ser usadas para a automação de um sistema: - configuração e parametrização do hardware - estabelecimento da comunicação - programação - teste, startup e serviço com as funções de operação/diagnóstico - documentação - criação de telas para os SIMATIC Basic Panels com WinCC Basic integrado. - com os pacotes WinCC avançado também é possível criar soluções de visualização para PCs e outros painéis Todas as funções são auxiliadas por uma Ajuda detalhada. Documentação de treinamento SCE Página 6 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3. Fundamentos da engenharia de controle 3.1 Tarefas da engenharia de controle "O controle é um processo no qual o valor de uma variável de interesse é continuamente mantido por meio de intervenções baseadas em medições desta variável. Isto cria uma sequência de ações que tem lugar em uma malha fechada, a malha de controle, pois o processo realiza-se com base em medições de uma variável, que influencia a si mesma novamente." A variável a ser controlada é continuamente medida e comparada com o valor desejado (setpoint). Dependendo do resultado desta comparação, o processo de controle realiza ajustes para que a variável de interesse se aproxime do valor do setpoint. Esquema de controle Elemento de comparação Elemento de controle Regulador Atuador + sistema Dispositivo de medição Temperatura nominal Documentação de treinamento SCE Página 7 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.2 Componentes de um circuito de controle A seguir serão explicados em detalhes os conceitos básicos da engenharia de controle. Primeiramente uma visão geral com base em um esquema: Controlador Elemento de comparação Elemento de controle Y R Regulador Atuador Sistema controlado Dispositivo de medição 1. A variável controlada x Ela é a "meta" propriamente dita do controle, ou seja, a variável a ser influenciada ou mantida constante em todo o sistema. Em nosso exemplo, esta é a temperatura ambiente. O valor instantâneo de uma variável controlada em um determinado momento chama-se "valor efetivo" referente a aquele momento. 2. A variável de realimentação r Em um circuito de controle, a variável controlada é constantemente verificada para que seja possível reagir às alterações indesejadas. A variável de medição proporcional à variável controlada chama-se variável de realimentação. No exemplo "Aquecimento", ela corresponde à tensão de medição do termômetro interno. Documentação de treinamento SCE Página 8 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3. A variável de distúrbio z A variável de distúrbio é aquela variável que influencia a variável controlada de forma indesejada e a distancia do setpoint atual. Em caso de um controle de valor fixo, esta é necessária em razão da existência da variável de distúrbio. No sistema de aquecimento considerado, esta seria - por exemplo - a temperatura externa ou também qualquer outra variável que faz com que a temperatura ambiente se afaste de seu valor ideal. 4. O setpoint w O setpoint é o valor desejado que a variável controlada deve apresentar naquele momento. Deve-se notar que o setpoint em um controle de valor sequencial pode se alterar constantemente em determinadas circunstâncias. O valor medido determinado pelo dispositivo de medição quando a variável controlada corresponde exatamente ao setpoint é o valor instantâneo da variável de referência. No exemplo, o setpoint é a temperatura ambiente desejada no momento. 5. O elemento de comparação Este é o ponto no qual o valor medido atual da variável controlada e o valor instantâneo da variável de referência são comparados entre si. Na maioria dos casos, em ambas as variáveis, estes são tensões de medição. A diferença entre as duas variáveis é a "diferença de controle", chamada de e. Esta é encaminhada para o elemento de controle e lá avaliada (consulte abaixo). 6. O elemento de controle O elemento de controle é o coração propriamente dito de um sistema de controle. Ele avalia a diferença de controle - ou seja, a informação sobre se, como e em qual extensão a variável controlada se desvia em relação ao valor nominal atual - na forma de variável de entrada e, a partir desta avaliação, deriva a "variável de saída do controlador" Y R por meio da qual a variável controlada será influenciada. No exemplo do sistema de aquecimento, a variável de saída do controlador é a tensão para o motor do misturador. Como o elemento de controle determina a variável de saída do controlador a partir da diferença de controle é o principal critério de um controle. A parte II irá tratar deste tema de forma mais detalhada. Documentação de treinamento SCE Página 9 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
7. O regulador O regulador é por assim dizer o "órgão executor" do controle. Ele recebe a informação do elemento de controle, na forma de variável de saída do controlador, sobre como a variável controlada deve ser influenciada e converte esta informação em uma alteração da "variável manipulada". No nosso exemplo, o regulador é o motor do misturador. Dependendo da tensão fornecida pelo elemento de controle (ou seja, a variável de saída do controlador), ele influencia a condição do misturador (que aqui representa a variável manipulada). 8. O atuador Este é o elemento do circuito de controle que influencia a variável controlada (mais ou menos diretamente) dependendo da variável manipulada Y. No exemplo, esta é a combinação entre misturador, tubulações de aquecimento e aquecedor. O ajuste do misturador (a variável manipulada) é realizado pelo motor do misturador (regulador) e influencia a temperatura ambiente através da temperatura da água. 9. O sistema controlado O sistema controlado é o sistema em que se encontram as variáveis a serem controladas; no exemplo do aquecimento, a sala de estar. 10. O tempo morto Tempo morto é o tempo que decorre entre a alteração da variável de saída do controlador até a reação mensurável do sistema controlado. No exemplo, este é o tempo entre a alteração da tensão para o motor do misturador e a alteração mensurável, condicionada por este fato, da temperatura ambiente. Documentação de treinamento SCE Página 10 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados Para examinar o comportamento dos sistemas controlados, controladores e circuitos de controle, é usada uma função uniforme para o sinal de entrada, a função de passo. Dependendo do objeto de estudo ser o exame do elemento do circuito de controle ou de todo o circuito de controle, a variável controlada x(t), a variável manipulada y(t), a variável de referência w(t) ou a variável de distúrbio z(t) podem ser ocupadas com a função de passo. Em razão disto, frequentemente o sinal de entrada, a função de passo, é designado com xe(t) e o sinal de saída com xa(t). para para Documentação de treinamento SCE Página 11 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.4 Sistemas controlados com compensação 3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P. alteração súbita da variável de entrada em t 0 Variável controlada / variável manipulada: K ss : Coeficiente proporcional para uma alteração da variável controlada Variável controlada / variável de distúrbio: K sz : Valor proporcional para uma alteração da variável de distúrbio Faixa de ajuste: Faixa de controle: y h = y máx y mín x h = x máx x mín Documentação de treinamento SCE Página 12 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T1. Equação diferencial para um sinal de entrada comum x e(t): Solução da equação diferencial para a função de passo na entrada (resposta de passo): T s : Constante de tempo Documentação de treinamento SCE Página 13 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T2. Fig.: Resposta de passo do sistema P-T2 Tu: tempo de atraso Tg: tempo de compensação O sistema é formado pela ligação em série com ausência de reação de dois sistemas P-T1 possuindo as constantes de tempo TS1 e TS2. Controlabilidade de sistemas P-Tn: fácil de controlar ainda passível de controle difícil de controlar A medida que a relação Tu / Tg aumenta, o sistema fica cada vez mais difícil de controlar. Documentação de treinamento SCE Página 14 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-Tn. A descrição do comportamento temporal realiza-se através de uma equação diferencial de nª ordem. A evolução da resposta de passo é similar a aquela do sistema P-T2. O comportamento temporal é descrito por Tu e Tg. Substituição: O sistema controlado com muitos atrasos pode ser substituído de modo aproximado pela ligação em série de um sistema P-T1 com um sistema de tempo morto. Irá valer: Tt» Tu e TS» Tg. Resposta de passo substituta para o sistema P-Tn Documentação de treinamento SCE Página 15 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.5 Sistemas controlados sem compensação Após um distúrbio, a variável controlada continua a aumentar continuamente sem almejar um valor final fixo. Exemplo: Controle de nível de preenchimento Em um recipiente com drenagem, no qual os volumes de entrada e saída são iguais, estabelece-se um nível de preenchimento constante. Se a vazão de entrada ou de saída se alterarem, o nível de líquido aumenta ou se reduz. Quanto maior for a diferença entre entrada e saída, mais rapidamente o nível irá se alterar. O exemplo mostra que o comportamento integral, na prática, geralmente possui uma limitação. A variável controlada aumenta ou se reduz até atingir um valor limite condicionado pelo sistema: O recipiente transborda ou fica vazio, a pressão atinge o máximo ou o mínimo do sistema etc. A figura mostra o comportamento temporal de um sistema I em uma alteração súbita da variável de entrada, bem como o esquema de ligação em blocos daí derivado: y máx Esquema de ligação em blocos x máx Quando a função de passo na entrada se transforma em uma função arbitrária xe(t), x a (t)=k IS x e (t) dt sistema controlado integrado K is : Coeficiente integral do sistema controlado * Figura da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 16 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.6 Tipos básicos de controladores contínuos Como já citado, os controladores discretos discutidos acima apresentam o benefício da simplicidade. Tanto o controlador como também o regulador e o atuador são de natureza mais simples e, portanto, mais baratos do que os controladores contínuos. Além disto, os reguladores discretos apresentam uma série de desvantagens. Por exemplo, nos casos em que forem ligadas grandes cargas, como grandes motores elétricos ou unidades de refrigeração, podem ocorrer elevados picos de carga que poderão sobrecarregar a fonte de alimentação. Por esta razão, frequentemente não se realiza a comutação entre "Desliga" e "Liga", mas sim entre a potência plena ("carga máxima") e uma potência significativamente menor do regulador ou atuador ("carga básica"). Mas mesmo com esta melhoria, o controle discreto não é adequado para diversas aplicações. Imagine um motor de carro, cuja rotação é controlada discretamente. Não existiria nada entre marcha lenta e aceleração total. Além do fato de ser impossível transferir as forças da aceleração total súbita de forma adequada através dos pneus para a estrada, um veículo deste tipo seria totalmente inadequado para trafegar em vias públicas. Portanto, os controladores contínuos são usados para este tipo de aplicação. Aqui a relação matemática, que o elemento de controle estabelece entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador, é teoricamente quase que ilimitada. Na prática é feita a diferenciação entre três tipos básicos clássicos, que serão descritos em maiores detalhes a seguir. Documentação de treinamento SCE Página 17 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.6.1 O controlador proporcional (controlador P) No controlador P, a variável manipulada y é sempre proporcional à diferença de controle determinada (y ~ e). Disto resulta que um controlador P reage sem atraso a um desvio de controle e só gera uma variável manipulada quando se apresentar um desvio e. O controlador proporcional de pressão representado na figura compara a força FS da mola de setpoint com a força FB, que gera a pressão p2 na junta de expansão metálica elástica. Se as forças não estiverem em equilíbrio, a alavanca gira em torno do ponto de rotação D. Com isto, a posição da válvula ñ e a pressão p2 a ser regulada se alteram correspondentemente até que se estabeleça um novo equilíbrio de forças. A figura mostra o comportamento do controlador P em caso de ocorrência súbita de uma diferença de controle. A amplitude do passo da variável manipulada y depende da extensão da diferença de controle e do valor do coeficiente proporcional Kp: Portanto, para manter um desvio de controle pequeno, é necessário selecionar um fator de proporcionalidade o maior possível. O aumento do fator resulta em uma reação mais rápida do controlador, mas um valor muito elevado implica no perigo de oscilação indesejada e elevada tendência à oscilação do controlador. Junta de expansão metálica Mola de setpoint * Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 18 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Aqui pode ser visto o comportamento do controlador P no diagrama: Variável controlada Setpoint Desvio de controle Valor efetivo Tempo Os benefícios deste tipo de controlador são, por um lado, a sua simplicidade (a realização eletrônica pode ser composta, no caso mais simples, de uma simples resistência) e, por outro lado, a sua rápida reação quando comparado aos outros tipos de controladores. A principal desvantagem do controlador P está no permanente desvio de controle, o valor nominal nunca é totalmente atingido mesmo em longo prazo. Esta desvantagem, assim como a velocidade lenta de reação, só podem ser amenizadas por um fator de proporcionalidade mais elevado; caso contrário, poderão resultar oscilações indesejadas do controlador, ou seja, quase uma reação excessiva. No caso mais desfavorável, o controlador entra em uma oscilação permanente, o que faz com que a variável controlada se afaste periodicamente do valor nominal devido ao próprio controlador ao invés de devido à variável de distúrbio. A melhor maneira de solucionar o problema do desvio de controle permanente é através de um controlador integral. Documentação de treinamento SCE Página 19 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.6.2 O controlador integral (controlador I) Os controladores integrativos são usados para controlar completamente os desvios de controle em cada ponto de operação. O valor da variável manipulada se altera enquanto o desvio for diferente de zero. O controle é estabelecido somente quando a variável de referência e a variável controlada forem iguais, o mais tardar quando a variável manipulada atingir o seu valor limite condicionado pelo sistema (Umáx, Pmáx etc.). A formulação matemática deste comportamento integral é: A variável manipulada é proporcional à integral de tempo da diferença de controle e: com: A velocidade com que a variável manipulada aumenta (ou se reduz) depende do desvio de controle e do tempo de integração. e máx Esquema de ligação em blocos y máx * Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 20 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.6.3 O controlador PI O controlador PI é um tipo de controlador muito frequentemente usado na prática. Ele é composto de uma ligação em paralelo de um controlador P e um controlador I. Adequadamente projetado, ele combina as vantagens de ambos os tipos de controladores (estável e rápido, sem desvio de controle permanente), de forma que as suas desvantagens são compensadas. e máx Esquema de ligação em blocos y máx O comportamento temporal é caracterizado pelo coeficiente proporcional Kp e o tempo de reinicialização Tn. Em razão do componente proporcional, a variável manipulada reage imediatamente a cada diferença de controle e, enquanto que o componente integral só terá efeito com o decorrer do tempo. Tn representa o tempo que decorre até o componente I gerar a mesma amplitude de ajuste que é criada pelo componente proporcional (Kp). Do mesmo modo como no controlador I, o tempo de reinicialização Tn deve ser reduzido para que seja possível aumentar o componente integral. Projeto do controlador: Dependendo do dimensionamento de Kp e Tn, as oscilações indesejadas da variável controlada podem ser reduzidas à custa da dinâmica de controle. Áreas de aplicação do controlador PI: circuitos de controle rápidos, que não permitem desvio de controle permanente. Exemplos: controles de pressão, temperatura e proporção * Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 21 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.6.4 O controlador diferencial (controlador D) O controlador D forma a sua variável manipulada a partir da velocidade de alteração da diferença de controle e não a partir da amplitude como ocorre no controlador P. Portanto, ele reage ainda mais rapidamente do que o controlador P: Assim que ocorre uma alteração de amplitude, ele gera grandes amplitudes de ajuste quase que por antecipação mesmo em caso de pequenas diferenças de controle. No entanto, o controlador D não detecta um desvio de controle permanente, pois independentemente do seu tamanho, a velocidade de alteração é igual a zero. Em razão disto, raramente o controlador D é utilizado sozinho na prática. Geralmente ele é aplicado junto com outros elementos de controle, na maioria das vezes em conjunto com um componente proporcional. 3.6.5 O controlador PID Quando um controlador PI é estendido por um componente D, obtém-se um controlador PID universal. Como no controlador PD, a complementação do componente D faz com que, se adequadamente projetada, a variável controlada atinja mais precocemente o seu valor nominal e o ajuste seja mais rápido. e máx Esquema de ligação em blocos y máx con * Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 22 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.7 Meta no ajuste do controlador Para obter um resultado de controle satisfatório, a seleção de um controlador adequado é um aspecto fundamental. Ainda mais essencial, no entanto, é a configuração dos respectivos parâmetros do controlador, Kp, Tn e Tv, que deverão estar ajustados em relação ao comportamento do sistema. Aqui é necessário tomar uma decisão entre um controle muito estável, mas também lento, ou um comportamento de controle muito dinâmico, mais inquieto, apresentando tendência à oscilação sob determinadas circunstâncias e podendo se tornar instável. Em sistemas não lineares, que devem sempre trabalhar no mesmo ponto de operação, por exemplo, um controle de valor fixo, os parâmetros do controlador devem sempre ser ajustados em relação ao comportamento do sistema neste ponto de trabalho. Se, como nos controles sequenciais, não puder ser definido um ponto de trabalho fixo para ñ, deverá ser encontrado um ajuste de controlador que forneça um resultado de controle suficientemente rápido e estável ao longo de toda a faixa de trabalho. Na prática, os controladores geralmente são ajustados com base em valores empíricos. Se estes não estiverem disponíveis, o comportamento do sistema deve ser cuidadosamente analisado para, em seguida, estabelecer os parâmetros adequados do controlador com o auxílio de diversos procedimentos teóricos e práticos de projeto. Uma possibilidade para esta determinação é o teste de vibração conforme o método de Ziegler-Nichols. Ele permite um dimensionamento simples e adequado para muitos casos. Este processo de ajuste, no entanto, só poderá ser aplicado em sistemas controlados, que permitam que a variável controlada seja levada à oscilação automática. O procedimento será como segue: deixar os valores de Kp e Tv no controlador mínimos e Tn máximo (menor efeito possível do controlador). Ajustar o sistema controlado manualmente conforme o ponto de operação desejado (início da operação do controlador). Ajustar a variável manipulada do controlador manualmente conforme o valor predefinido e alterar para o modo automático. Aumentar Kp (reduzir Xp ) até que possam ser detectadas oscilações harmônicas da variável controlada. Se possível, o circuito de controle deve ser induzido para oscilações com a ajuda de alterações súbitas do valor nominal durante o ajuste de Kp. * Texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 23 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Registrar o valor ajustado de Kp como coeficiente proporcional crítico Kp,crit. Determinar a duração de uma oscilação completa como Tcrit, eventualmente com um cronômetro e cálculo da média aritmética de diversas oscilações. Multiplicar os valores Kp,crit e Tcrit pelos multiplicadores conforme a tabela e ajustar os valores assim determinados para Kp, Tn e Tv no controlador. K p, crit. K p, crit. T crit. K p, crit. T crit. T crit. * Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf) Documentação de treinamento SCE Página 24 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.8 Ajustes dos sistemas controlados O ajuste dos sistemas controlados deve ser realizado com base no exemplo de um sistema PT2. Aproximação T u -T g A base do método conforme Ziegler-Nichols e conforme Chien, Hrones e Reswick é a aproximação T u - T g, na qual, a partir da resposta de passo do sistema, é possível determinar os parâmetros coeficiente de transferência do sistema K S, tempo de atraso T u e tempo de compensação T g As regras de ajuste descritas abaixo foram encontradas experimentalmente com a ajuda de simulações em computador analógico. Os sistemas P-T N podem ser descritos de forma suficientemente precisa com uma assim chamada aproximação T u -T g, ou seja, por meio de uma aproximação através de um sistema P-T 1 -T L. O ponto de partida é a resposta de passo do sistema com o tamanho de passo de entrada K. Os parâmetros necessários, ou seja, coeficiente de transferência do sistema K S, tempo de atraso T u e tempo de compensação T g são determinados conforme mostrado na figura. Para que o coeficiente de transferência do sistema K S necessário para o cálculo possa ser determinado, é necessária a medição da função de transição até o valor final estacionário (K*Ks). O principal benefício deste procedimento é o fato da aproximação poder ser aplicada mesmo quando não existir nenhuma descrição analítica do sistema. x / % K*K S Ponto de inflexão T u T g t/seg Figura: Aproximação T u -T g Documentação de treinamento SCE Página 25 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols Por meio do estudo de sistemas P-T 1 -T L, Ziegler e Nichols descobriram os seguintes ajustes ideais de controlador para o controle de valor fixo: K PR = 0,9 T g K S T u T N = 3,33 T u Com estes valores de ajuste geralmente é obtida uma excelente reação em relação aos distúrbios. [7] 3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick Neste procedimento, tanto o comportamento de referência como a reação aos distúrbios foram estudados para obter parâmetros favoráveis do controlador. Em ambos os casos resultam valores diferentes. Além disto, também são especificados dois diferentes ajustes, que atendem a diferentes requisitos com relação à qualidade do controle. Resultam os seguintes ajustes: Para reação em relação a distúrbios: transiente aperiódico com mínima duração 20% de oscilações indesejadas com mínima duração de oscilação K PR = 0,6 T g K PR = 0,7 T g K S T u K S T u T N = 4 T u T N = 2,3 T u Documentação de treinamento SCE Página 26 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Para comportamento de referência: transiente aperiódico com mínima duração 20% de oscilações indesejadas com mínima duração de oscilação K PR = 0,35 T g K S T u K PR = 0,6 T g K S T u T N = 1,2 T g T N = T g Documentação de treinamento SCE Página 27 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3.9 Controladores digitais Até agora foram vistos principalmente os controladores analógicos, ou seja, aqueles que a partir da diferença de controle disponível como valor analógico derivam, também de maneira analógica, a variável de saída do controlador. O esquema de um circuito de controle deste tipo já é conhecido: Elemento de comparação Controlador analógico Sistema Frequentemente, no entanto, existem vantagens ao se realizar a avaliação da diferença de controle de maneira digital. A relação entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador pode ser estabelecida de forma muito mais flexível se ela for definida por um algoritmo ou uma fórmula com a qual seja possível programar um computador, ao invés de ser necessário implementá-la na forma de um circuito analógico. Além disso, na tecnologia digital é possível uma integração muito maior dos circuitos, o que permite acomodar diversos controladores em um espaço reduzido. E, finalmente, por meio da distribuição do tempo de cálculo com uma capacidade de cálculo suficiente, também é possível usar um único computador como elemento de controle de diversos circuitos de controle. Para permitir o processamento digital das variáveis, tanto as variáveis de referência como as variáveis de realimentação são primeiro convertidas em variáveis digitais por um conversor analógico-digital (ADU). Em seguida, elas são subtraídas umas das outras por um elemento de comparação digital e a diferença é encaminhada ao elemento digital de controle. A variável de saída do controlador é, então, novamente convertida em uma variável analógica por um conversor digital-analógico (DAU). A unidade composta de conversores, elemento de comparação e elemento de controle aparece externamente como um controlador analógico. Documentação de treinamento SCE Página 28 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
O diagrama abaixo ilustra a estrutura de um controlador digital: ADU ADU Elemento de comparação Elemento de comparação Controlador digital DAU Sistema Controlador digital DAU Sistema ADU ADU Apesar dos benefícios apresentados pela implementação digital do controlador, ela também está associada a diversos problemas. Portanto, algumas variáveis deverão ser selecionadas suficientemente grandes no controlador digital para que a precisão do controle não seja prejudicada na digitalização. Os critérios de qualidade para computadores digitais são: A resolução de quantização do conversor digital-analógico. Ela indica a precisão com a qual a faixa de valores contínuos é digitalizada. A resolução deve ser grande o suficiente para que nenhuma das sutilezas importantes do controle se perca. A taxa de amostragem do conversor analógico-digital. Esta é a frequência com a qual os valores analógicos existentes no conversor são medidos e digitalizados. Esta deve ser alta o suficiente para que o controlador possa reagir prontamente em relação às alterações súbitas da variável controlada. O tempo de ciclo. Todos os computadores digitais trabalham de forma diferente do que um controlador analógico em termos de ciclos de clock. A velocidade do computador usado deve ser alta o suficiente para que não possa ocorrer nenhuma alteração significativa da variável controlada durante um ciclo de clock (no qual o valor de saída é calculado e nenhum valor de entrada é consultado). A qualidade do controlador digital deve ser alta o suficiente para que, exteriormente, a sua reação seja tão rápida e precisa como a de um controlador analógico. Documentação de treinamento SCE Página 29 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque Para o nosso programa deverá ser programado um controle de nível de preenchimento. Um sensor mede o nível de preenchimento de um tanque e o converte em um sinal de tensão de 0-10 V. 0 V correspondem a um nível de preenchimento de 0 litros e 10 V a um nível de preenchimento de 1000 litros. Este sensor está conectado na primeira entrada analógica do SIMATIC S7-1200. O nível de preenchimento deve ser controlado em 0 litros (S1 == 0) ou 700 litros (S1 == 1). Para isto, é usado um controlador "PID_Compact" integrado a STEP 7 Basic V10.5. Este controlador PID aciona uma bomba na forma de variável manipulada entre 0-10 V. Lista de atribuição: Endereço Símbolo Tipo de dados Comentário %IW 64 X_level_tank1 Int Entrada analógica do valor efetivo do nível de preenchimento do tanque1 %QW 80 Y_level_tank1 Int Saída analógica da variável manipulada da bomba1 %I 0.0 S1 Bool Passo do valor nominal do nível de preenchimento 0 (0) ou 700 litros (1) Documentação de treinamento SCE Página 30 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200 O gerenciamento do projeto e a programação realizam-se com o software 'Totally Integrated Automation Portal'. Aqui, em uma interface única, são criados, parametrizados e programados os componentes da solução de automação, tais como controle, visualização e rede. Ferramentas online estão disponíveis para o diagnóstico de erros. Conforme os passos abaixo é possível criar um projeto para o SIMATIC S7-1200 e programar a solução da tarefa: 1. A ferramenta central é o 'Totally Integrated Automation Portal', que é chamada aqui por meio de um clique duplo. ( Totally Integrated Automation Portal V11) Documentação de treinamento SCE Página 31 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
2. Os programas para o SIMATIC S7-1200 são administrados em projetos. Um projeto é criado na visualização do portal ( Create a new project tank_pid Create) Documentação de treinamento SCE Página 32 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
3. Então, são sugeridos os 'First steps' para a criação do projeto. Queremos, primeiro, 'Configure a device'. ( First steps Configure a device) Documentação de treinamento SCE Página 33 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
4. Então iremos 'Add new device' com o 'nome de dispositivo controller_tank'. A partir do catálogo, selecionamos a 'CPU1214C' com a referência correspondente. ( Add new device controller_tank CPU1214C 6ES7. Add) Documentação de treinamento SCE Página 34 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
5. O software altera automaticamente para a visualização do projeto com a configuração de hardware aberta. Aqui é possível adicionar outros módulos a partir do catálogo de hardware (à direita!). Deve ser adicionada a placa de sinal para a saída analógica a partir do catálogo por meio de Arrastar&Soltar. ( Catlog Signal board AO1 x 12Bit 6ES7 232- ) Documentação de treinamento SCE Página 35 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
6. Em 'Device view' também é possível configurar os endereços das entradas/saídas. Neste caso, as entradas analógicas integradas da CPU possuem os endereços %IW64 - %IW66 e as entradas digitais integradas possuem os endereços %I0.0 - %I1.3. O endereço da saída analógica na placa de sinal é AW80 ( Device view AO1 x 12Bit 80 81) Documentação de treinamento SCE Página 36 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
7. Para que o software acesse posteriormente a CPU correta, o respectivo endereço IP e máscara de rede deverão ser configurados. ( Properties General PROFINET interface Ethernet addresses IP address: 192.168.0.1 Subnet mask: 255.255.255.0) Documentação de treinamento SCE Página 37 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
8. Como na programação moderna não são usados endereços absolutos, mas sim variáveis simbólicas, aqui é necessário definir as Variáveis globais do CLP. Estas variáveis globais do CLP são nomes descritivos com comentário para todas as entradas e saídas usadas no programa. Posteriormente, as variáveis globais do CLP poderão ser acessadas através dos respectivos nomes durante a programação. Estas variáveis globais podem ser usadas em todo o programa e em todos os blocos. Para tal, na árvore do projeto, selecione 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC] e, em seguida, 'PLC tags'. Abra a tabela 'PLC tags' com um clique duplo e insira ali os nomes para as entradas e saídas conforme mostrado abaixo. ( controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]' PLC tags Default tag table) Documentação de treinamento SCE Página 38 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
9. Para criar o bloco de função FC1, selecione o 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC] e, em seguida, os 'Program blocks' na árvore do projeto. Clique duas vezes sobre 'Add new block'. ( controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC] Program blocks Add new block) Documentação de treinamento SCE Página 39 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
10. Selecione 'Organization block (OB)' e, em seguida, o tipo 'Cyclic interrupt'. Como linguagem de programação é predefinido o diagrama de blocos funcionais 'FBD'. A numeração (OB200) realizase automaticamente. O tempo de ciclo fixo é mantido aqui em 100 ms. Aplique as entradas por meio de 'OK'. ( Organization block (OB) Cyclic interrupt FBD Cycle time 100 OK) Nota: A chamada do controlador PID deve ser obrigatoriamente realizada com um tempo de ciclo fixo (neste caso, 100 ms), pois o seu tempo de processamento é crítico. Será impossível otimizar o controlador se ele não for chamado desta forma. Documentação de treinamento SCE Página 40 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
11. O bloco de organização 'Cyclic interrupt'[ob200] é aberto automaticamente. Antes de ser possível gravar o programa, é necessário definir as suas variáveis locais. Neste bloco só pode ser usado um tipo de variável: Tipo Designação Função Disponível em Dados locais temporários Temp Variáveis usadas para o armazenamento de resultados Funções, blocos de função e blocos intermediários temporários. Os de organização dados temporários são mantidos somente durante um ciclo. 12. No nosso exemplo, só é necessária a seguinte variável local. Temp: w_level_tank1 Real Esta variável armazena o setpoint para o tanque1 como valor intermediário Neste exemplo, é novamente importante o uso do tipo de dados correto, o Real; caso contrário, este não será compatível com o bloco de controlador PID no programa seguinte. Para uma melhor compreensão, todas as variáveis locais devem ser acompanhadas de um comentário. Documentação de treinamento SCE Página 41 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
13. Após as variáveis locais terem sido declaradas, o programa pode ser inserido usando-se os nomes das variáveis. (As variáveis são identificadas pelo símbolo '#'.) Aqui, nas duas primeiras redes, cada uma com uma instrução 'MOVE', é copiado o número de ponto flutuante 0.0 (S1 == 0) ou 700.0 (S1 == 1) na variável local #w_level_tank1. ( Basic instructions Move MOVE ) Documentação de treinamento SCE Página 42 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
14. Na terceira rede é inserido o bloco do controlador 'PID_Compact'. Como ele não suporta uma múltipla instância, a ele deve ser atribuído um bloco de dados como instância individual. Este é automaticamente criado pelo STEP 7. ( Extended instructions PID PID_Compact OK) Documentação de treinamento SCE Página 43 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
15. Conforme o aqui mostrado, ligue este bloco com o valor nominal (variável local #w_level_tank1), o valor efetivo (variável global "X_Level_Tank1") e a variável manipulada (variável global "Y_Level_Tank1"). Em seguida, pode-se abrir a máscara de configuração ' ' do bloco do controlador. ( #w_level_tank1 "X_Level_Tank1" "Y_Level_Tank1" ) Documentação de treinamento SCE Página 44 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
16. Aqui deverão ser realizadas as 'Basic settings', tais como o tipo de controle e a interconexão da estrutura interna do controlador. ( Basic settings Controller type Volume l Setpoint: Input_PER(analog) Valor manipulado: Output_PER ) Documentação de treinamento SCE Página 45 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
17. Em 'Process value settings' definimos a faixa de medição de 0 litros até 1000 litros. E também é necessário ajustar os limites. ( Process value settins Scaled high process value 1000.0 l Process value high limit 1000.0 l Process value low limit 0.0 l Scaled low process value 0.0 l) Documentação de treinamento SCE Página 46 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
18. Em 'Advanced settings' ainda poderá ser encontrado, por exemplo, um ajuste manual dos 'PID parameters'. A janela de configuração é fechada com um clique em e é obtido um programa com controlador PID. ( Advanced settings PID parameters ) Programa no diagrama de blocos funcionais (FBD): Documentação de treinamento SCE Página 47 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
Programa no diagrama ladder (LD): Documentação de treinamento SCE Página 48 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
19. O projeto é salvo por meio de um clique com o mouse em. Para carregar o seu programa completo na CPU, primeiro selecione a pasta 'controller_tank' e clique, em seguida, no símbolo Download to device. ( controller_tank ) Documentação de treinamento SCE Página 49 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
20. Caso a interface PG/PC ainda não tiver sido definida (consulte o módulo M1, capítulo 4), aparecerá uma janela onde isto poderá ser realizado. ( PG/PC interface for loading Load) Documentação de treinamento SCE Página 50 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
21. Clique, então, novamente em 'Load'. Durante o carregamento, o status é exibido em uma janela. ( Load) 22. O carregamento bem-sucedido será exibido em uma janela. Clique, então, com o mouse em 'Finish'. ( Finish) Documentação de treinamento SCE Página 51 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
23. Inicie a CPU com um clique do mouse sobre o símbolo. ( ) 24. Confirme a pergunta se você deseja realmente iniciar a CPU com 'OK'. ( OK) Documentação de treinamento SCE Página 52 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
25. Com um clique do mouse sobre o símbolo "Monitoring on/off", é possível observar o estado dos blocos e das variáveis durante o teste do programa. Ao iniciar a CPU pela primeira vez, o controlador 'PID_Compact' ainda não estará ativado. Para tal, é necessário iniciar o comissionamento clicando com o mouse sobre o símbolo ' '. ( Cyclic interrupt[ob200] PID_Compact Comissioning) Documentação de treinamento SCE Página 53 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
26. Com 'Measurement on' é possível exibir o valor nominal, o valor efetivo e a variável manipulada em um diagrama na tela de operação. Esta ainda não estará ativa após o primeiro carregamento do controlador. Isto significa que a variável manipulada se mantém em 0%. Selecione 'Pretuning' e, em seguida, 'Start pretuning'. ( Measurement on Pretuning Start pretuning) Documentação de treinamento SCE Página 54 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
27. O autoajuste é iniciado. No campo 'Status' são exibidas as atuais etapas de trabalho e os erros ocorridos. A barra de progresso mostra o progresso da etapa de trabalho atual. Documentação de treinamento SCE Página 55 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d
28. Se o autoajuste for executado sem mensagem de erro, os parâmetros PID terão sido otimizados. O controlador PID altera para o modo automático e usa os parâmetros otimizados. Os parâmetros PID otimizados são mantidos ao LIGAR a rede e no caso de reinicialização da CPU. Os parâmetros PID podem ser carregados no seu projeto com o botão ' '. ( ) Nota: Em caso de processos mais rápidos, como por exemplo o controle de uma rotação, deverá ser selecionado Autoajuste no ponto de trabalho para a otimização. Neste caso é executado um ciclo com duração de diversos minutos em que todos os parâmetros PID são determinados e ajustados. Os valores dos parâmetros poderão ser observados no bloco de dados após o carregamento no projeto. Documentação de treinamento SCE Página 56 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/p&d