O Sistema de Tanques para Estudo de Controle de Nível, Vazão e Temperatura, denominado STEC-NVT, está instalado no Laboratório de Ensino de Controle e Ins-trumentação, pertencente ao Departamento de Engenharia Eletrônica da UFMG.
Este sistema foi construído a partir de recursos provenientes do programa REENGE, Reengenharia do Ensino de Engenharia, apresentado pela Escola de Engenharia da UFMG à FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos), sob coordenação do professor Ronaldo Tadêu Pena, do Departamento de Engenharia Eletrônica da UFMG. Com a participação de Carvalho [Carvalho, 1998] e de bolsistas do programa REENGE [Caldeira et al., 1997], foi possível a montagem e a implementação do STEC-NVT.
A modelagem matemática do STEC-NVT foi realizada por Assis [Assis, 2000], que desenvolveu um simulador para a planta. Torres [Torres, 2002] projetou e implementou uma estratégia de controle multimalhas para o STEC-NVT, utilizando controladores do tipo PID. Foram estudados alguns tipos de desacopladores para as malhas de controle da planta mas, devido às limitações do sistema existentes na época, os desacopladores não foram implementados.
Posteriormente, Mendonça [Mendonça, 2004] atualizou a configuração de controle e automação do STEC-NVT, fazendo a migração da rede de comunicação Fieldbus ISP utilizada anteriormente para a atual rede Foundation Fieldbus, substituindo o sistema de supervisão e fazendo algumas alterações de hardware. Hott [Hott, 2004] implementou uma estratégia de controle em ambiente distribuído com desacopladores para as malhas do STEC-NVT, realizando também a calibração dos instrumentos presentes na planta e Souza [Souza, 2005] desenvolveu um software para implementação de um controlador digital para o processo, por meio de um cliente OPC, com avaliação de desempenho
on-line das malhas de controle.
O STEC-NVT possui três tanques interligados onde é possível controlar cinco malhas de controle, sendo duas malhas de nível, duas de temperatura e uma de vazão. A Figura 1.8 apresenta uma fotografia do sistema enquanto que a Figura 1.9 mostra o seu respectivo diagrama de processo e instrumentação.
Os três tanques que compõem o STEC-NVT são denominados por: tanque reserva-tório (TR), tanque de aquecimento (TAQ) e tanque de produto (TP).
Figura 1.8: Vista do STEC-NVT
O tanque reservatório, localizado externamente ao laboratório, tem capacidade de armazenamento de 500l e tem a função de armazenar a água que irá suprir os demais tanques. Devido ao mecanismo de recirculação de água existente no STEC-NVT, o TR também recebe água quente proveniente do TP e sua temperatura tende a sofrer variações, aumentando gradualmente quando a planta permanece em funcionamento durante longos períodos de tempo.
Na parte superior do rack onde se encontra montado o sistema está localizado o tanque de aquecimento, que possui capacidade de armazenamento de 50l. O TAQ é aquecido por meio do contato com um resistor e tem a função de alimentar com água quente o tanque de produto.
Já o tanque de produto, com capacidade de armazenamento de 75l, encontra-se instalado abaixo do TAQ e recebe água tanto do TR quanto do TAQ. Seu aquecimento é feito por meio da água quente proveniente do tanque de aquecimento. Como existe um sistema de recirculação de água para garantir o funcionamento contínuo da bomba
BA2, independentemente da posição da válvula FCV1, esta água recirculada auxilia na homogeneização da temperatura. O TP possui ainda quatro válvulas manuais que permitem escoar água para o TR, podendo ser utilizadas para simular perturbações de nível neste tanque.
A rede de comunicação de dados que interliga os diversos dispositivos contidos no STEC-NVT é a rede Foundation Fieldbus, que se caracteriza como um sistema de comu-nicação digital bidirecional que permite a comucomu-nicação entre diferentes equipamentos conectados a um mesmo par de fios, realizando funções de controle e monitoração de processo por meio de softwares supervisórios [Smar, 1998].
O controle do sistema é feito por meio da rede Foundation Fieldbus e de um Contro-lador Lógico Programável (CLP) LC700 fabricado pela Smar Equipamentos Industriais LTDA [Smar, 2004a], além de um microcomputador que monitora o processo por meio do software supervisório Genesis32, desenvolvido pela Iconics, Inc. [Iconics, 2000].
A rede Foundation Fieldbus para o STEC-NVT é composta por quatro transmisso-res de vazão e dois transmissotransmisso-res de nível LD302, que são transmissotransmisso-res para medida de pressão diferencial, absoluta e manométrica, respectivamente, um transmissor de temperatura TT302, que é um transmissor apropriado para medições de temperatura usando termorresitências ou termopares e dois conversores Fieldbus para corrente de 4 − 20mA FI302, destinados a fazer a interface do sistema Fieldbus com as válvulas de controle (atuadores). Todos os transmissores e conversores são de fabricação da Smar. Além destes encontram-se também dois sensores de temperatura do tipo Pt100 instalados nos tanques de aquecimento e de produto, quatro válvulas de controle pneu-máticas, duas bombas centrífugas para bombeamento de água entre os tanques e um resistor de aquecimento localizado no fundo to TAQ com seu respectivo sistema de aci-onamento tiristorizado. A Figura 1.10 ilustra como os instrumentos estão conectados à rede Foundation Fieldbus.
A interação entre a rede Fieldbus e o CLP é feita por meio de um cartão Fieldbus FB700, conectado ao rack do CLP, enquanto que a interface entre o microcomputador e a rede Fieldbus é realizada por meio de um módulo específico de gerenciamento denomi-nado DFI302 (Fieldbus Universal Bridge), que permite a comunicação da rede Fieldbus com os aplicativos via rede Ethernet e protocolo OPC (OLE for Process Control). Já a comunicação entre o microcomputador e o CLP é feita por meio de uma porta serial
Figura 1.10: Configuração da rede Foundation Fieldbus
RS232, utilizando o protocolo de comunicação Modbus. Para configurar a rede Fieldbus é utilizada a rede Ethernet e um software também desenvolvido pela Smar denominado Syscon [Smar, 2004c]. A Figura 1.11 ilustra o fluxo de informações no STEC-NVT.
Como pode ser observado pela Figura 1.9, na configuração existente, o nível do TAQ é medido pelo sensor de nível LT1 e manipulado pela válvula LCV1, localizada na tubulação de entrada de água deste tanque, que atua na vazão do TR para o TAQ. O nível do TP é medido pelo sensor de nível LT2 e manipulado pela válvula LCV2, também localizada na tubulação de entrada de água deste tanque, que atua na vazão do TR para o TP. A vazão de saída do TP é medida com o auxílio do sensor de vazão FT4 e manipulada pela válvula FCV1, localizada na tubulação de saída de água deste tanque, que atua diretamente nesta vazão. Em relação às malhas de temperatura, a temperatura do TP é medida pelo sensor de temperatura TE1 e manipulada pela válvula TCV1, localizada na tubulação de saída de água do TAQ, que atua na vazão do TAQ para o TP enquanto que a temperatura do TAQ é medida pelo sensor de temperatura TE2 e manipulada pela potência enviada ao resistor de aquecimento colocado no fundo
Figura 1.11: Fluxo de informações no STEC-NVT [Persechini, 2002]
deste tanque, que atua na taxa de transferência de calor.
Nas malhas de nível do TAQ, nível do TP, vazão de saída do TP e temperatura do TP, os dispositivos que atuam sobre as variáveis de processo são válvulas industriais esféricas com controle pneumático, que são acionadas por corrente. O sinal de controle proveniente da rede Fieldbus é convertido para um sinal de 4 a 20mA, onde 4mA representa válvula fechada, ou seja, 0% e 20mA corresponde à válvula 100% aberta.
Para a malha de temperatura do TAQ, a atuação é feita por meio de um resistor trifásico de imersão com três elementos de 4kW cada, localizado no fundo do próprio tanque de aquecimento, que recebe potência originada de um circuito de acionamento constituído por um conjunto de três tiristores acionados por tensão. Neste caso, o sinal de saída da rede Fieldbus modulado como um sinal de 4 a 20mA é convertido para a faixa de 0 a 10V , onde 0V corresponde a um ângulo de disparo nulo (potência máxima dissipada) e 10V corresponde a um ângulo de disparo de 180o (potência nula dissipada) [Assis, 2000].
Descrições mais detalhadas do STEC-NVT, incluindo especificações e dados técnicos mais precisos dos equipamentos que constituem o sistema podem ser encontrados em [Carvalho, 1998, Assis, 2000, Torres, 2002].